КУРСОВАЯ РАБОТА
«Телескопическое электрокормораздаточное устройство»
Содержание
Введение
1. Описание технологической схемы
2. Выбор частоты вращения и технических данных редуктора
3. Расчет и построение нагрузочной диаграммы и механической характеристики рабочей машины
4. Предварительный выбор двигателя по мощности и режиму нагрузки
5. Определение приведенного момента инерции системы двигатель – рабочая машина
6. Расчет и построение нагрузочной диаграммы двигателя за один цикл работы машины
7. Обоснование и описание принципиальной схемы управления
8. Выбор аппаратуры управления и защиты
9. Краткое описание устройства и места расположения электрооборудования
10. Подсчет стоимости выбранного комплекта электрооборудования
11. Определение устойчивости выбранной автоматической системы управления
Спецификация
Заключение
Литература
Введение
Весьма трудоемкий процесс на животноводческих фермах – раздача кормов (на эту операцию приходится до 40% трудовых затрат по грузоперемещению на ферме). Целесообразность того или иного способа раздачи кормов следует решать в соответствии с технологией содержания и кормления животных, сообразуясь с планировкой животноводческих помещений.
Так как на животноводческих фермах наибольшее распространение получили транспортерные и бункерные кормораздатчики, то им следует уделить особое внимание и в частности методике определения мощности.
Характерной особенностью некоторых транспортеров является большой начальный статический момент сопротивления (момент трогания), который, как правило, превосходит номинальный вследствие различных причин: трения, покоя, застывания смазки в трущихся деталях и т.д.
Транспортеры в большинстве своем механизмы тихоходные. Поэтому необходимо обратить внимание на выбор передаточного числа редуктора, а также согласование номинальных частот вращения машины и ЭД с целью уменьшения величины махового момента, приведенного к валу ЭД. При изучении различных типов подвесных кормораздатчиков следует обратить внимание на соответствующие схемы автоматики, их основные преимущества, недостатки и особенности монтажа средств управления и автоматизации.
Поэтому основной целью курсового проекта является применение знаний для рационального выбора электропривода в сельском хозяйстве исходя из выше перечисленных критериев.
1. Описание технологической схемы
Транспортер предназначен для раздачи комбинированного корма: смеси силоса и резаной соломы.
Транспортер состоит из приводной станции 1
, тягового троса 2
, двух кормушек – нижней 3
и верхней 4
(рис. 1).
Рис. 1-Схема установки телескопического кормораздаточного транспортера в коровнике
Загрузку кормом производят в средней части транспортера. Перемещение кормушек транспортера по направляющим уголкам 7
осуществляют тяговым тросом. При первом ходе нижняя кормушка перемещается под верхнюю и механически сцепляется с ней. При втором (обратном) ходе перемещаются обе кормушки и верхняя загружается кормом. По достижении крайнего правого (или левого) положения кормушки останавливаются и расцепляются. На третьем ходе нижняя кормушка перемещается в обратном направлении и одновременно загружается кормом.
По достижении крайнего левого (или правого) положения кормушка останавливается и процесс раздачи кормов заканчивается.
2. Выбор частоты вращения двигателя и технологических данных редуктора
Так как частота вращения приводного вала работей мшины менее 600 об/мин
, то экономически выгодно и технически целесообразно применение высокоскоростного двигателя с синхронной частотой вращения 1000…1500 об/мин
в сочетании с редуктором. Такой двигатель имеют меньшую массу, стоимость, более высокий cos
φ
и КПД при одной и той же мощности.
Для выбора редуктора определяем требуемое передаточное отношение:
(1)
где: ωдв
– угловая скорость вала двигателя, рад/с;
ωб
– угловая скорость барабана, рад/с.
|
|
(2) |
где: Vк
– линейная скорость движения кормушек, м/с;
r – радиус барабана, м.
|
|
(3) |
Таким образом, передаточное число редуктора будет равно:
По справочнику выбираем редуктор [1] РМ –259: i=63, ηред
=0,98, межосевое расстояние 100/150, цилиндрический, горизонтальный, двухступенчатый.
3. Расчет и построение нагрузочной диаграммы и механической характеристики рабочей машины
Анализируя технологическую и кинематическую схему работы машины, подобно описанному выше, следует рассчитать и построить нагрузочную диаграмму рабочей машины за период одного цикла.
Построим нагрузочную диаграмму пользуясь данными задания, учитывая ее характер для данной установки.
Рисунок 2 – Нагрузочная диаграмма рабочей машины.
Определение момента сопротивления в различных точках нагрузочной диаграммы на холостом ходу (режим работы 1)
При вращательном и поступательном движении можно записать следующее выражение равенства мощностей:
|
|
(4) |
Отсюда можно определить момент сопротивления рабочей машины:
|
|
(5) |
Значение усилий F для холостого хода:
| Fхх
|
(6) |
где: F1
– сила трения кормушки об уголки, Н;
F2
– сила трения троса о желоб, Н;
F3
– сила трения в цапфах, Н;
F4
– сила тяжести, Н.
|
|
(7) |
где: mк
– масса кормушки, кг, ,
где: l
к
– длина одной кормушки транспортера, l
к
=38 м;
gк
– масса одного погонного метра кормушки: gк
=40 кг;
g – ускорение свободного падения, м2
/с;
f1
=0,15 – коэффициент сопротивления движению кормушки по уголкам.
m
н
=38*40=1520 кг
F
1=
1
520
*9.81*0.15=
2236,6Н
|
|
(8) |
где: mтр
– масса троса, кг, ,
l
к
– длина троса,
l
тр
=76 м;
gк
– масса одного погонного метра троса,
gтр
=0.5 кг.
f2
– обобщенный коэффициент трения нижней части троса о направляющий желоб, f2
=0,55;
Fтр
– усилие предварительного натяжения тягового троса, Fтр
=2000 Н.
F2=
((
38
+
1520
)*9.81+2000)*0.55=
9497,62Н
|
|
(9) |
где: mб
– масса приводного барабана троса, mб
=40 кг
f3
– обобщенный коэффициент трения в цапфах барабанов, направляющих блоках, f3
=0,04.
F3
=((2*40+1520)*9.81+2000)*0.04=707,8Н
|
|
(10) |
F4=
(1
520
+
38
+2*40)*9.81=
16068,78
Н
Определяем полное усилие при холостом ходе:
Fxx
=2236,6+9497,62+707,8+16068,78=28510,8
Н
Отсюда, момент сопротивления при холостом ходе равен:
Определение усилий загруженного транспортера (режим работы 2)
В данном случае перемещаются две кормушки, одна из них наполняется кормом.
Исходя из того, что при надое 10 – 12 кг. молока на корову норма кормления составляет 30 кг., а кормление производится 4 раза в сутки, поэтому масса корма в 1 кормушке будет:
|
|
(11) |
кг
Усилия для груженого кормораздатчика определяем аналогично формулам (6 – 10).
|
|
(12) |
Н
|
|
(13) |
Н
|
|
(14) |
Н
|
|
(15) |
Н
Полное усилие для груженого кормораздатчика:
Н
Таким образом, момент сопротивления груженого механизма:
Н*м
Но в начале второго цикла кормушки начинают движение пустыми, значит момент сопротивления будет изменяться в ходе наполнения кормушек, то есть нам необходимо определить начальный момент сопротивления при втором цикле работы.
|
|
(16) |
Н
|
|
(17) |
Н
|
|
(18) |
Н
|
|
(19) |
Н
Н
Определение усилий загруженного транспортера (режим работы 3)
В данном случае двигается только одна наполненная кормушка.
|
|
(20) |
Н
|
|
(21) |
Н
|
|
(22) |
|
|
(23) |
В этом случае начальный момент сопротивления будет равен моменту
при холостом ходе.
Определяем эквивалентные моменты для каждого режима работы
|
|
(29) |
где: М1
, М2
, Мn
– эквивалентные моменты за циклы работы, ;
t1
, t2
, tn
, – время работы машины при соответствующем эквивалентном моменте.
Эквивалентный момент при первом режиме работы будет равен статическому моменту, так как в данном случае нагрузка постоянна.
М1
=46,3
Эквивалентный момент при втором режиме работы:
|
|
(30) |
Эквивалентный момент при третьем режиме работы:
|
|
(31) |
Но так как мощьность в третьем цикле равна нулю, то
Для машины принимаем момент сопротивления постоянным, т.е. не зависящим от скорости х=0
.
Рисунок 3-Механическая характеристика рабочей машины
4. Предварительный выбор электродвигателя
по мощности и режиму нагрузки
Определение мощности двигателя, сконструированного для режима S1, но работающего в режиме S2
По нагрузочной диаграмме (рис. 2) определяем Рэкв
.
(32)
По Рэкв
выбираем двигатель, мощность которого должна быть:
Записываем его каталожные данные.
| Тип двигателя |
Рн, кВт |
КПД, % |
сов φ |
Sн, % |
Мп / Мн |
Мmах / Мн |
Mmin/Мн |
Iп/Iн |
Момент инерции, кг·м2 |
Масса, кг |
| АИР132S4
|
7,50
|
87,5
|
0,86
|
4,0
|
2,0
|
2,5
|
1,6
|
7,5
|
0,028
|
58
|
Определяем постоянную времени нагрева по формуле:
(33)
где m
– масса двигателя, кг;
Рном
– номинальная мощность двигателя, Вт;
τном
– номинальное превышение температуры обмотки
статора двигателя, измеренное методом
сопротивления, 0
С (справочная величина) для АД
серии 4А.
| Класс изоляции |
А |
Е |
В |
F |
Н |
| τном, 0С |
60 |
75 |
80 |
100 |
125 |
Следовательно:
Определяем коэффициенты термической и механической перегрузок по формулам:
для коэффициента термической перегрузки:
(34)
для коэффициента механической перегрузки:
(35)
где – коэффициент, рав
Следовательно:
1. Определяем мощность двигателя, сконструированного для режима S
1
, но работающего в режиме S
2
:
(36)
2. Осуществляем проверки выбранного электродвигателя
а) по пусковому моменту
:
(37)
где - коэффициент, учитывающий снижение напряжения (до 30%) на зажимах пускаемого двигателя;
– пусковой момент двигателя;
μпуск
и Мном
берем из каталога.
Для нашего случая α1
= 0,7
, следовательно:
Необходимо помнить, что номинальный момент двигателя определяется следующим образом:
(38)
w
н
– номинальная частота вращения электродвигателя (каталог), если в каталоге вместо w
н
приводится синхронная w
о
, то номинальную частоту вращения, рад/с, определяют как:
(39)
где S
н
– номинальное скольжение (каталог), обычно оно изменяется в пределах 0,06…0,07.
При этом связь между синхронной скоростью вращения, об/мин, и синхронной частотой вращения, рад/с имеет вид:
Мтр.р.м
.
– момент трогания рабочей машины (берется из нагрузочной диаграммы рабочей машины для нулевого значения ее скорости).
Для нашего случая, рассмотренного в данном примере, получим:
ВЫВОД
: Условие выполняется.
б) по перегрузочной способности
:
(41)
где – коэффициент, учитывающий снижение
напряжения на зажимах работающего двигателя на
10% при включении в сеть мощного ЭД;
– максимальный момент, развиваемый двигателем; при этом μмакс(кр)
– кратность максимального (критического) момента, берем из каталога.
(42)
=91Н*м
Подставив все значения получим:
ВЫВОД:
Условие выполняется. Двигатель выбран правильно.
5 Определение приведенного момента инерции системы двигатель – рабочая машина
Инерционная характеристика машины представляет собой данные о величине момента инерции машины и законов его изменения от различных факторов.
Определим приведенный момент инерции кормораздатчика при холостом ходе (режим 1):
|
|
(43) |
Приведенный момент инерции в режиме 2:
|
|
(44) |
Приведенный момент инерции в режиме 3:
|
|
(45) |
При этом моменте инерции кинетические энергии, запасенные в виртуальном маховике, установленном на электродвигателе и на движущихся частях системы «Рабочая машина» равны.
Величину момента инерции используем для графического определения времени пуска электропривода
6. Расчет и построение нагрузочной диаграммы двигателя за один цикл работы машины
Механическую характеристику двигателя построим по пяти точкам:
1 точка
: М=0;
,
2 точка:
,
,
3 точка:
, (46)
, (47)
(48)
где -номинальное скольжение;
-кратность критического момента;
4 точка:
, (49)
т. к. возникают гармоники кратные 7 при запуске двигателя на частоте, соответствующей , то:
, (50)
5 точка:
, (51)
1. Строим механическую характеристику электродвигателя и рабочей машины.
2. Находим момент динамический Мдин
=Мдв
-Мс
3. Заменяем Мдин
ломанной линией.
4. Откладываем отрезок [ОА]<Мдин. мин.
5. На оси ординат откладываем значения избыточных моментов и полученные точки соединяем с точкой А.
6. Из т. 0 до пересечения с горизонталью ∆ω проводим линию, параллельную отрезку [0-A].7. Аналогично определяем остальные точки и строим зависимости Мдв
=f(t) и ω=f(t).
8. Масштаб времени определяется из соотношения:
|
|
(52) |
7. Обоснование и описание принципиальной схемы управления установкой
1. Управление приводом осуществляется вручную – дистанционно.
2. Перед включением двигателей должен быть подан предупредительный звуковой сигнал.
3. Привод транспортера должен иметь возможность кратковременно реверсироваться.
4. Остановка привода может быть произведена с пульта управления и двух мест производственного помещения.
5. Схема должна предусматривать защиту от коротких замыканий, тепловую, обрыва фаз сети и самопроизвольного пуска.
6. Реверсирование двигателя осуществляется конечными выключателями и производится без торможения противовключением.
Работа схемы управления
Защита силовой части схемы от коротких замыканий и прегрузки осуществляется посредством автоматического выключателя QF1 и SF1 для цепи управления. Для запуска электродвигателя применяется специальное устройство плавного пуска.
При нажатии на кнопку SB4 подается питание на звонок звуковую сигнализацию предупреждения о включении.
При нажатии на SB5 питание подается на катушку магнитного пускателя КМ1, его контакт КМ1:2 шунтирует кнопку, а главные контакты подают питание на двигатель кормушек. Двигатель включается.
При достижении верхней кормушки крайнего положения срабатывает конечный выключатель SQ2 и подает питание на катушку реле времени КТ1, контакт КТ1:2 которого запитывает катушку пускателя КМ2 (происходит реверс двигателя
При достижении крайнего положения срабатывает SQ1 катушка КМ2 обесточивается и процесс раздачи останавливается.
Остановка схемы производится с щита управления и двух мест производственного помещения.
8. Выбор аппаратуры управления и защиты
Для того чтобы произвести расчет пусковой и защитной аппаратуры необходимо знать номинальные данные двигателей, используемых в схеме:
| Тип двигателя |
Рн, кВт |
КПД, % |
сов φ |
Sн, % |
Мп / Мн |
Мmах / Мн |
Mmin/Мн |
Iп/Iн |
Момент инерции, кг·м2 |
Масса, кг |
| АИР132S4
|
7,50
|
87,5
|
0,86
|
4,0
|
2,0
|
2,5
|
1,6
|
7,5
|
0,028
|
58
|
Номинальный ток электродвигателя
(53)
Расчет автоматических выключателей:
Автомат выбираем из условий:
|
|
(54) |
Таким образом, автоматический выключатель должен соответствовать следующим условиям:
Выбираем АЕ2040 с =660В, =63А,
Магнитные пускатели
выбираем из условий:
|
|
(55) |
Таким образом, пускатели должны соответствовать следующим требованиям:
| КМ1, КМ2 |
|
|
КМ1: ПМЛ263103-У3
КМ2: ПМЛ263103-У3
Расчет теплового реле.
Выбираем по току уставки
(56)
Выбираем реле РТЛ 1021
Остальную аппаратуру выбираем исходя из потребности схемы.
Кнопки:
КМЕ 5101 У3.
Реле времени
: РВ-4–1.
Конечные выключатели
: ВПК-2111
Звонки
: ЗВП-220
9. Краткое описание расположения аппаратуры управления
Пульт и шкаф управления располагаются на одной площадке с приводной станцией. Они находятся в основном стойловом помещении, на видном месте, чтобы оператор мог следить за процессом и вовремя отключить транспортер.
Внутри шкафа устанавливаются: автоматические выключатели, магнитные пускатели, тепловые реле, электрический звонок.
На дверце шкафа устанавливаются кнопки управления.
Выключение транспортера возможно с трех мест помещения: с пульта управления и с двух концов здания.
10.
Подсчет стоимости выбранного комплекта оборудования
Стоимость оборудования сводим в таблицу 1.
Таблица 1 – Стоимость оборудования
| Наименование
|
Кол – во
|
Цена, руб.
|
| Электродвигатель АИР 132 S4 |
1 |
22000 |
| Магнитный пускатель ПМЛ 263103-У3 |
2 |
3033,26 |
| Тепловое реле РТЛ 1021 |
1 |
- |
| Звонок электрический ЗВП-220 |
3 |
250 |
| Кнопка управления КМЕ 5101-У3 |
6 |
250 |
| Выключатель автоматический АЕ 2040 |
1 |
341,21 |
| Предохранитель ПР2 |
1 |
70 |
| Реле времени РВ-4–1 |
1 |
225 |
| Конечный выключатель ВПК-2111 |
2 |
100 |
| Щит управления Я5115–3474-У325А IP31 |
1 |
1270,26 |
| Итого |
19 |
27589,51 |
11. Определение устойчивости системы
Рисунок 4 – Схема автоматического управления
Управляющим устройством является двигатель, передаточная функция которого имеет вид W1
=. Он оказывает воздействие на редуктор (исполнительный механизм с передаточной функцией вида W2
=k). Дополнительно к этому, транспортерам присуще запаздывание: W3
=е-рτ
.
В данных функциях:
Т – постоянная времени, с; примем Т = J∙ώ0
/Mкр
=0,28∙151/122,4=0,3 с;
τ – время запаздывания, с; τ = 5 с.;
k – коэффициент усиления исполнительного механизма, k = 0.86.
к1
=1-коэфициент усиления датчика
Общая передаточная функция всей системы будет иметь вид:
|
|
(57) |
Подставив имеющиеся значения, получаем:
Устойчивость системы определим по критерию Михайлова. Для этого знаменатель полученного выражения представляем в виде характеристического уравнения, заменяя значение «p» на «jω».
M(p)=0,3∙е5р
+е5р
+0,86
M(jώ)=0.3∙ejώ
+ejώ
+0.86=0.3+0.005jώ+1+0.087jώ+0.86=2,16+0,092jώ
Re(ώ)=2,16
Im(ώ)=0,092ώ
Таким образом, годограф Михайлова будет иметь следующий вид:
Рисунок 5 – Годограф Михайлова
Как видно из рисунка 4, годограф Михайлова начинается на положительной вещественной полуоси и проходит число квадрантов, соответствующее порядку характеристического уравнения, следовательно, система устойчива.
Определяем устойчивость системы по критерию Найквиста:
Замкнутая САУ будет устойчивой, если АФЧХ разомкнутой САУ не охватывает точку с координатами (-1; j0).
Для этого у передаточной функции замкнутой САУ размыкаем обратную связь и находим общую передаточную функцию разомкнутой САУ. Строим данную передаточную функцию.
; (58)
;
M(p)=0,3∙е5р
+е5р
Заменяем р на , получим
;
Построим АФЧХ разомкнутой САУ:
Рисунок 6 – АФЧХ разомкнутой САУ.
Так как АФЧХ разомкнутой САУ не охватывает точку с координатами
(-1; j0), то замкнутая САУ устойчива. Запас устойчивости С=2,3.
Список литературы
1. Коломиец А.П., Кондратьева Н.П., Владыкин И.Р., Юран С.И. - Электропривод и электрооборудование. - М.: КолосС, 2006
2. Кондратьева Н.П. выбор электродвигателей, аппаратуры и защиты электрических установок. – Ижевск: ИжГСХА, – 2002, – 150 с.
3. Коломиец А.П., Ерошенко Г.П., Кондратьева Н.П., Владыкин И.Р., Юран С.И. и др. Устройство, ремонт и обслуживание электрооборудования в сельскохозяйственном производстве. / Учебник. – М.: Издательский центр «Академия», 2003. – 368 с.
4. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей. – М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2003. – 208 с.
5. Правила устройств электроустановок (ПУЭ), издание седьмое, раздел 1 (главы 1.1; 1.2; 1.7; 1.9), раздел 7 (главы 7.5; 7.6; 7.10) – М.: Изд во НЦ ЭНАС, 2003. – 176 с.
6. Правила устройств электроустановок (ПУЭ), издание седьмое, раздел 6, раздел 7 (главы 7.1; 7.2). – М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2002, – 80 с.